Zunahme von Ultra Large Container Vessels

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Implikationen für Umwelt und Natur

Innerhalb der letzten 25 Jahre folgte die Entwicklung der weltweiten Containerflotte einem eindeutigen Trend hin zu immer größeren Schiffen. Besonders auffällig in diesem Zusammenhang ist das zunehmende Aufkommen der derzeit größten Containerschiffe, der so genannten Ultra Large Container Vessels (ULCVs), welche die neuen Schleusen des Panamakanals nicht mehr passieren können. Jüngste Ereignisse wie die sechstägige Blockade des Suezkanals durch die „Ever Given“, verdeutlichen die Umwelt- und Sicherheitsrisiken, die mit dem Einsatz dieser Fahrzeuge einhergehen. Allein der planmäßige und reibungslose Betrieb bringt eine ganze Reihe von Herausforderungen, Auswirkungen und Kosten zulasten der externen Beteiligten mit sich. Ein Text (Buchauszug) zum Thema auf der Internetseite des Instituts für Seeverkehrswirtschaft und Logistik.

Container-Frachter im Hamburger Hafen – Foto © Julius Silver, pixabay

Dieser Artikel (BY CC 4.0) identifiziert externe Effekte in Bezug auf Seehafensysteme und Umweltaspekte, indem Erkenntnisse aus dem wissenschaftlichen sowie praktischen Diskurs untersucht werden.

In den vergangenen 25 Jahren ist die Stellplatzkapazität der weltweiten Containerschiffsflotte infolge einer stetig wachsenden Zahl von Schiffen, die im Durchschnitt immer größer wurden, kontinuierlich gestiegen. Insbesondere in den Jahren vor der weltweiten Finanz- und Wirtschaftskrise 2008/2009 lag der jährliche Zuwachs der Gesamtkapazität fast durchgängig bei  mehr als 10 %. In dieser Zeit nahm auch die Zahl der Containerschiffe stark zu, zeitweise mit zweistelligen jährlichen Raten. Seit 2010 ist zu beobachten, dass die Anzahl der Containerschiffe nur noch relativ langsam zunimmt, während die durchschnittliche Schiffsgröße gemessen an der Nominalkapazität weiterhin fast linear ansteigt. Besonders auffällig ist dabei der Anstieg der maßlich größten Schiffe, der sogenannten Ultra Large Container Vessels (ULCV). Während dieses Größensegment vor 2012 nur aus acht Schiffen der Maersk E-Klasse mit einer Gesamtkapazität von ca. 143.000 TEU (Zwanzig-Fuß-Standardcontainer) bestand, waren Anfang April 2021 bereits mehr als 160 ULCVs mit einer Gesamtkapazität von über 3,2 Mio. TEU im Einsatz (CRSL 2021b).

Durch den Einsatz immer größerer Schiffe profitieren die Linienreedereien von den sogenannten Skaleneffekten, die eine kontinuierliche Senkung der Kosten pro transportierter TEU ermöglicht haben und dem ULCV seine Daseinsberechtigung geben (Ge et al. 2019). Etwaige negative Effekte werden nach wie vor eher am Rande behandelt, so dass vor allem die Kosteneffekte des Betriebs von ULCVs aus isolierter Reedereiperspektive die Diskussion dominieren. Dass der Betrieb von ULCVs auch mit Kosten und Auswirkungen auf „externe“ Systeme verbunden ist, wird oft übersehen. Kritische Ereignisse wie die Unfälle der „CSCL Indian Ocean“ 2016, des CSCL Jupiter 2017, der „ONE Milano Bridge“ 2020 oder die aktuelle sechstägige Blockade des Suezkanals durch die Ever Given zeigen deutlich, dass dies notwendig ist. Doch nicht nur außergewöhnliche Umstände wie Unfälle, die durch menschliches oder technisches Versagen verursacht werden, haben negative Auswirkungen auf Bereiche außerhalb der Linienreedereien. Auch der planmäßige und reibungslose Betrieb solcher Schiffe bringt eine ganze Reihe von Herausforderungen, Auswirkungen und Kosten mit sich, die zu Lasten anderer Interessengruppen oder der Allgemeinheit gehen und oft als Skalenerträge bezeichnet werden (Stopford 2009). Darüber hinaus gibt es auch positive und oft unterschlagene Auswirkungen von ULCVs, die nicht direkt mit der betrieblichen Rentabilität zusammenhängen.

Um die zukünftige Bedeutung von ULCVs im Schifffahrtsmarkt zu verdeutlichen, wird zunächst die Entwicklung der Containerschiffsflotte in den letzten 25 Jahren skizziert und anschließend der steigende Kapazitätsanteil der größten Einheiten herausgearbeitet. Da es derzeit keine einheitliche Definition dessen gibt, welche Determinanten ein Großcontainerschiff zu einem ULCV machen, wird im Kapitel „Autonome Steuerung von Logistikprozessen: Eine Retrospektive“ dieses Artikels eine klare Definition geliefert. Darüber hinaus werden Einschätzungen zu zukünftigen Schiffsgrößenentwicklungen vorgestellt. Das Kapitel „Explorable Uncertainty Meets Decision-Making in Logistics“ beschäftigt sich mit den Implikationen, die zunehmende Schiffsgrößen für Seehafensysteme haben. Dazu gehören nicht nur notwendige Anpassungen der Hafeninfra- und -suprastrukturen, sondern auch betriebliche Leistungsanforderungen, die Reedereien an Terminalbetreiber stellen. Da die betrieblichen Zwänge von ULCVs die Hafenwahlentscheidungen von Reedereien beeinflussen, werden auch die aktuellen und zukünftigen Auswirkungen auf Hafennetzwerkstrukturen diskutiert. Im Kapitel „Komplexe Netzwerke in Produktion und Logistik: Ein Rückblick“ werden die wichtigsten Umweltauswirkungen von ULCVs skizziert. Nach einem Überblick über die verschiedenen Auswirkungen werden die möglichen Vorteile von Flurförderzeugen gegenüber kleineren Schiffseinheiten betrachtet. Anschließend werden die Verbesserungen der Energieeffizienz von ULCVs im Zusammenhang mit den Emissionsvorschriften diskutiert. Der Abschnitt schließt mit den Umweltauswirkungen von Baggerarbeiten, die durchgeführt werden, um immer größere Schiffe aufnehmen zu können. (creativecommons.org/licenses/by/4.0)

Umweltaspekte von ULCVs – Skalen-Ökologie – von Abfall bis Abgas

Die Auswirkungen der globalen Schifffahrtsindustrie auf die Umwelt sind vielfältig. Um den negativen Folgen zu begegnen, wurden internationale Vorschriften erlassen, die häufig durch nationale Maßnahmen ergänzt werden.

Verschiedene Studien haben gezeigt, dass bestimmte Bestandteile von Bewuchsschutzfarben hochgiftig für die Meeresumwelt sind. Da der Rumpf eines Schiffes fast ständig dem Meerwasser ausgesetzt ist, können Partikel der Farbe durch Abrieb oder Zersetzung in die Umwelt gelangen. Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Partikel Meereslebewesen vergiften und in die gesamte Nahrungskette gelangen können. Aus diesem Grund sind bestimmte Bestandteile von Bewuchsschutzanstrichen seit 2008 verboten (MEPC 1990; IMO 2001).

Am Ende der Lebensdauer eines Schiffes, d. h. wenn es entweder beschädigt ist oder sich der weitere Betrieb aus wirtschaftlichen, ökologischen oder behördlichen Gründen nicht mehr lohnt, wird es abgewrackt und alle wertvollen Teile werden recycelt. Im Laufe des Lebenszyklus eines Schiffes sammeln sich viele potenziell gefährliche Stoffe in einem Schiff an. Dabei handelt es sich beispielsweise um Rückstände von Heizöl, Schmieröl, Ladung und Anstrichen. MEPC hat verschiedene Entschließungen als Leitlinien zur Verringerung der Umweltauswirkungen des Schiffsrecyclings veröffentlicht (MEPC , , , , , ).

Die Entsorgung von Müll auf See ist ein weiteres Problem, welches das Leben im Meer und die Meeresumwelt gefährdet, und wird durch die MARPOL-Anlage V (MEPC 1973) geregelt, die in regelmäßigen Abständen aktualisiert wird. Schiffe ab einer bestimmten Größe müssen einen Müllentsorgungsplan mitführen und die Normen für Verbrennungsanlagen an Bord einhalten (MEPC , , ).

Schiffe sind auch erhebliche Lärmemittenten. Während es Vorschriften zum Schutz der Besatzung und der Passagiere vor Schiffslärm gibt, existiert derzeit keine Regelung zum Schutz der Meeresumwelt vor Schiffslärm (ILO ; MSC , ). Die Frage der Auswirkungen von Schiffslärm auf Meeressäuger wurde bereits 2007 erörtert, aber derzeit gibt es nur unverbindliche Richtlinien (MEPC , ).

Ein weiteres Umweltproblem sind die Abgasemissionen von ULCVs, die das direkte Ergebnis des im Verbrennungsmotor eines Schiffs verwendeten Kraftstoffs sind. Zu den Abgasemissionen gehören Treibhausgase (THG) und andere Komponenten. Zu diesen anderen Bestandteilen gehören vor allem Stickoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx) und Feinstaub (PM) (Faber et al. ). Die Menge und die Zusammensetzung der Abgasemissionen hängen von der jeweiligen Maschine und dem verwendeten Brennstoff ab. Auf modernen Containerschiffen werden die verschiedenen Maschinentypen mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben. Daher führt der Betrieb von Schiffen zu einer Vielzahl unterschiedlicher Emissionen.

Keiner dieser Umwelteinflüsse ist eine Besonderheit von ULCVs, sondern kann auf jedem Schiff auftreten. Wie jedoch in Abschnitt 2.1 erörtert wurde, wurden in den vergangenen Jahren Fahrzeuge für den Schwerlastverkehr mit einer größeren Nennkapazität bei gleichbleibenden Abmessungen entwickelt. Das bedeutet, dass die oben beschriebenen Umweltauswirkungen für jedes Schiff in etwa gleich bleiben, während sie auf eine steigende Anzahl von Containern zurückgeführt werden können. Infolgedessen nimmt die Umweltbelastung pro TEU ab. Dieser Effekt lässt sich am besten als „Skalenökologie“ beschreiben (Schlich und Fleissner ).

Regulierung von Emissionen und Verbesserung der Energieeffizienz: EEDI und EEXI

Diese „Skalenökologie“ wird besonders deutlich, wenn man die Abgasemissionen von ULCVs vergleicht. Neben Kohlendioxid (CO2) stoßen die Verbrennungsmotoren eines Schiffes auch andere Treibhausgase aus, die in Kohlendioxidäquivalenten (CO2e) gemessen werden. Im Jahr 2018 trugen die kombinierten CO2e-Emissionen der Schifffahrt, die die internationale und nationale Schifffahrt sowie die Fischerei umfasst, nur zu 2,89 % der jährlichen globalen anthropogenen Emissionen bei. Der Schifffahrtssektor hat sich zum Ziel gesetzt, seine gesamten CO2-Emissionen bis 2050 um 50 % gegenüber dem Niveau von 2008 zu reduzieren (Faber et al. ; MEPC ). Aufgrund des wachsenden Welthandelsvolumens und der damit verbundenen steigenden Anzahl von Schiffen mit einer wachsenden Menge an Ladung, die unterwegs sind, erfordert dies eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 85 % pro einzelnem Schiff (IMO n.d.). Um dieses Problem anzugehen, hat der Ausschuss für den Schutz der Meeresumwelt (MEPC) der IMO verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen.5 Eine davon ist der Energy Efficiency Design Index (EEDI), der die Energieeffizienz eines Schiffes bewertet, indem er einen Mindestwert für die Energieeffizienz festlegt, den neu gebaute Schiffe erreichen müssen und der alle fünf Jahre erhöht wird (MEPC , ), um ständige Verbesserungen bei neu gebauten Schiffen sicherzustellen.

Während der EEDI nur auf die Verbesserung der Effizienz von neu gebauten Schiffen abzielt, hat der MEPC 2021 einen ähnlichen Index für die bestehende Flotte angenommen, den Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI), der ab 2022 angewendet werden soll (IMO ). Beide Indizes wurden jedoch kritisiert, weil sie nur einen geringen Beitrag zu den Dekarbonisierungszielen der IMO leisten (Trivyza et al. ; Rutherford et al. ; Psaraftis and Kontovas ). EEDI und EEXI werden von einem sogenannten Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) und dem Carbon Intensity Indicator (CII) begleitet. Der SEEMP ist ein operativer Mechanismus, mit dem Schiffseigner dazu angehalten werden sollen, die Betriebseffizienz eines Schiffes zu optimieren (MEPC 2011b), während der CII eine jährliche Bewertung der CO2-Emissionen eines einzelnen Schiffes ist, die mit Anreizen für ein Schifffahrtsunternehmen verbunden sein kann, in sauberere Technologien zu investieren (IMO , , ).

Die Emission von NOx, SOx und PM wird seit 1973 durch MARPOL geregelt. Diese Emissionen haben zwar kein globales Erwärmungspotenzial wie Treibhausgase, aber sie haben negative lokale Auswirkungen auf besiedelte Gebiete wie Städte in der Nähe von Häfen oder Schifffahrtsrouten. Seit dem ersten Januar 2020 (MEPC ) dürfen Kraftstoffe maximal 0,5% SOx und PM enthalten (MEPC 2019). Vor allem in ökologisch sensiblen Regionen, den sogenannten Emission Controlled Areas (ECA), müssen Schiffe noch strengere Anforderungen an Maschinen und Treibstoff erfüllen. Schiffe, die nach dem 1. Januar 2016 gebaut wurden und in einer ECA fahren, müssen mit einem Tier-III-Motor ausgestattet sein (MEPC , ) und der maximal zulässige SOx– und PM-Gehalt im Treibstoff ist auf 0,1% begrenzt (MEPC 1973).

Aufgrund dieser Vorschriften werden die Entwürfe von ULCV im Hinblick auf ihre Kraftstoffeffizienz ständig verbessert. Die Vorschriften gelten zwar für alle Schiffe, finden aber auch bei ULCVs Anwendung. Aufgrund der „ökologischen Größenvorteile“ bieten ULCVs jedoch ökologische Vorteile gegenüber kleineren Schiffen und werden ständig verbessert. In diesem Abschnitt wird eine Analyse der Veränderungen in der Energieeffizienz von ULCVs im Laufe der Zeit durchgeführt, um die erzielten Verbesserungen abzuschätzen. Für jedes Jahr wurde der Treibstoffverbrauch des größten Schiffes nach Nennkapazität, das in dem jeweiligen Jahr ausgeliefert wurde, nach den Formeln der IMO (Faber et al. 2020) geschätzt. Für die Berechnung des Treibstoffverbrauchs wurde angenommen, dass die Schiffe mit einer einheitlichen Geschwindigkeit betrieben werden, um sie aus aktueller Sicht zu vergleichen. Nur der Kraftstoffverbrauch der Hauptmaschine ist Teil der Schätzung. Der Verbrauch der Hilfsmotoren oder -kessel, die Anzahl der an Bord befindlichen Reefer und das Bugstrahlruder werden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Die geschätzte Treibstoffeffizienz wurde dann durch die Anzahl der an Bord befindlichen Container geteilt, um einen Indikator für die Energieeffizienz des Schiffes zu erhalten. Für die Berechnung wird eine einheitliche Slotauslastung von 85 % angenommen. Die berechnete Energieeffizienz wird durch die Kraftstoffmasse in kg bestimmt, die erforderlich ist, um 1 TEU über eine Entfernung von 1 nm zu transportieren. Dieser Indikator wird als kg/TEU-Meile bezeichnet.

Energieeffizienz verbessert

Generell hat sich die Energieeffizienz von ULCVs verbessert, was durch eine Schätzung der Energieeffizienz belegt werden kann. Aber die Verbesserungen der Energieeffizienzwurden in den vergangenen Jahren in eher kleinen Schritten erreicht. Dies liegt zum Teil daran, dass die Hauptmotoren bereits hoch optimiert sind und einen sehr niedrigen spezifischen Heizölverbrauch erreichen, d. h. die Masse an Kraftstoff, die zur Erzeugung einer bestimmten Energiemenge erforderlich ist. Aufgrund dieser bereits hohen Optimierung der Schiffsmotoren ist der Spielraum für weitere Verbesserungen gering, und betriebliche Maßnahmen wie Wetterrouting oder langsames Fahren werden relevanter, da sie immer noch einen Hebel für den Kraftstoffverbrauch eines Schiffes darstellen (Faber et al. 2020). Um die Kraftstoffeffizienz weiter zu verbessern, könnten betriebliche Maßnahmen oder technische Lösungen wie Luftschmierung oder Windunterstützung eingesetzt werden. Bei den neuesten ULCVs aus den Jahren 2020 und 2021 setzen die Schiffseigner häufig Dual-Fuel-Motoren ein, die nicht nur Öl als Kraftstoff verwenden, sondern auch Flüssigerdgas (LNG).

Während der Betrieb von Schiffen mit LNG zu geringeren CO2-Emissionen führt, was dem Schiff eine gute EEDI-Bewertung verleiht, besteht LNG größtenteils aus Methan, das zu einem drastischen Anstieg der Treibhausgas-Emissionen führen kann, wenn es in die Umwelt entweicht. Die Menge dieses so genannten Methanschlupfes, der das Ergebnis einer unvollständigen Verbrennung ist, hängt stark von dem eingebauten Motor ab. Im schlimmsten Fall führt die Verwendung von LNG in Dual-Fuel-Motoren zwar zu deutlich geringeren CO2-Emissionen, aber zu einem Anstieg der CO2e-Emissionen. Wenn der Methanschlupf über den Lebenszyklus von LNG verringert oder verhindert werden kann, könnte dieser Kraftstoff einen neuen Hebel zur weiteren Verbesserung der Effizienz von ULCVs darstellen (Pavlenko et al. 2020). Während einige Reedereien ihre Schiffe mit LNG-Dual-Fuel-Motoren bauen (CMA CGM ), verwenden andere Methanol (A.P. Moller – Maersk 2021) oder ziehen sogar Ammoniak als potenziellen zukünftigen Treibstoff in Betracht (Lloyd’s Register 2019), der sogar aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden könnte. In einer aktuellen Studie betrachtet der DNV GL mehrere zukünftige Kraftstoffe. Neben LNG, Methanol und Ammoniak aus erneuerbaren Quellen ist auch Wasserstoff, der in Brennstoffzellen eingesetzt wird, in einigen der betrachteten Szenarien Teil des zukünftigen maritimen Energiemixes (DNV GL 2020).

Verschiedene Auswirkungen von immer größeren Schiffen

Die Diskussion über Seehafensysteme und Umweltaspekte hat gezeigt, dass Kostenvorteile auf See mit negativen Auswirkungen auf andere externe Systeme einhergehen können. Mögliche negative Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme und zunehmende logistische, infrastrukturelle und superstrukturelle Herausforderungen in der gesamten Transportkette werden immer komplexer und extremer, wenn die Größe und Kapazität von ULCVs weiter zunimmt. Wirtschaftliche Vorteile für Linienreedereien durch Größenvorteile gehen daher auf Kosten von Größennachteilen, die zu einem großen Teil von der Allgemeinheit getragen werden müssen.

ULCVs, d.h. Containerschiffe, die aufgrund ihrer Abmessungen die neuen Schleusen des Panamakanals nicht mehr passieren können, haben seit ihrer Einführung im Jahr 2006 eine dominierende Rolle innerhalb der weltweiten Containerschiffsflotte übernommen. Während diese Schiffe anfangs über Nennkapazitäten im Bereich von 15.000 bis 16.000 TEU verfügten, wurde seit 2019 kein ULCV mit weniger als 19.000 TEU in Dienst gestellt. Das aktuelle Auftragsbuch für neue Containerschiffe deutet darauf hin, dass in den kommenden Jahren nur noch ULCV mit mehr als 23.000 TEU in Dienst gestellt werden und ein Großteil des künftigen Wachstums der Gesamtkapazität der weltweiten Containerschiffsflotte auf dieses Segment entfällt.

Im Hinblick auf die Seehafensysteme wird deutlich, dass der Aufstieg der ULCVs ein sehr anspruchsvolles Umfeld für Hafen- und Terminalbetreiber geschaffen hat. Während diese Schiffe oft im Zusammenhang mit erheblichen Kostenvorteilen durch „Skaleneffekte“ genannt werden, wird argumentiert, dass Häfen und Terminals eher zu „schwitzenden Häfen“ geworden sind, die unter dem Einfluss großer Schiffe unter „Skaleneffekten“ leiden (Haralambides ; Malchow ). Dies bezieht sich zum einen auf notwendige Anpassungen der Infra- und Suprastruktur, die mit enormen Investitionen verbunden sind, oft subventioniert durch Steuergelder. Andererseits stellen die Reedereien als Hauptkunden der Terminals erhöhte betriebliche Leistungsanforderungen, die derzeit kaum zu erfüllen sind und mehr und schnellere Anlagen sowie mehr Flexibilität erfordern. In Verbindung mit niedrigeren Anruffrequenzen und Auslastungsspitzen infolge gestiegener Anrufvolumina dürfte dieses Umfeld die Rentabilität des Terminalbetriebs senken. Es ist jedoch nicht garantiert, dass sich die Bemühungen um die Erfüllung der ULCV-Anforderungen letztlich in Form eines höheren Durchsatzes auszahlen werden, da die Reedereien dabei sind, ihre Dienststrukturen umzugestalten, die weniger Anlaufhäfen innerhalb von Hub-and-Spoke-Netzen umfassen.

Auswirkungen auf die Umwelt

Es hat sich gezeigt, dass Containerschiffe verschiedene Auswirkungen auf die Umwelt mit sich bringen. Diese Auswirkungen sind zwar nicht nur bei ULCV zu beobachten, aber es wurde nachgewiesen, dass diese Schiffe einen ökologischen Vorteil gegenüber kleineren Einheiten bieten, da sie eine höhere Nennkapazität bei vergleichbaren Außenabmessungen ermöglichen. Die ökologischen Auswirkungen, die ein ULCV hat, können daher auf eine größere Anzahl von Containern verteilt werden. Auf der Basis der einzelnen Boxen nimmt die Umweltbelastung mit dem Einsatz von ULCV ab. Dieser Effekt lässt sich am besten als „Skalenökologie“ beschreiben. So konnte nachgewiesen werden, dass sich die Energieeffizienz von Flurförderzeugen in den letzten Jahrzehnten drastisch verbessert hat: Dank verbesserter Motoreffizienz und verbesserter betrieblicher Maßnahmen ist ein modernes Flurförderzeug heute etwa 40 % energieeffizienter. Da die Motoren bereits stark optimiert wurden, ist das Potenzial für weitere Energieeffizienzsteigerungen durch Motoroptimierung begrenzt. Zusätzliche Emissionseinsparungen könnten durch betriebliche Maßnahmen und zusätzliche technische Lösungen wie Windunterstützung oder zukünftige Kraftstoffe erzielt werden. Auch wenn gezeigt wurde, dass ULCVs ökologische Vorteile vor allem durch verbesserte Maschinen und Größenvorteile bieten, wird in den Häfen hauptsächlich ausgebaggert, um mit den wachsenden Schiffsgrößen Schritt zu halten. Es wird zwar angedeutet, dass das Ausbaggern von Schiffen tatsächlich kurzfristige Vorteile für die Meeresumwelt haben kann, diese werden jedoch durch negative Auswirkungen, die sich oft langfristig bemerkbar machen, bei weitem aufgewogen.

->Quellen: